Fortgeschritten #50

Die elektrische Leitfähigkeit von Wasser steigt mit der Frequenz erheblich an

Bei hohen Frequenzen zeigt Wasser eine deutlich erhöhte Leitfähigkeit.

Wissenschaftliche Erklärung

Bei Gleichstrom oder niedrigen Frequenzen hat reines Wasser eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit — es ist ein schlechter Leiter. Mit zunehmender Frequenz steigt die Leitfähigkeit jedoch um mehrere Grössenordnungen an. Im Gigahertz- und Terahertzbereich wird Wasser zu einem deutlich besseren Leiter als bei niedrigen Frequenzen.

Dieser Anstieg hat seinen Ursprung in der dielektrischen Relaxation. Bei niedrigen Frequenzen können die Wassermoleküle dem Wechselfeld vollständig folgen und speichern die Energie im Wesentlichen verlustfrei. Bei höheren Frequenzen können die Moleküle dem schnell wechselnden Feld nicht mehr vollständig folgen — es entsteht eine Phasenverschiebung zwischen Feld und Polarisation. Diese Phasenverschiebung führt zu Energiedissipation, die als erhöhte Leitfähigkeit messbar ist.

Die Hauptrelaxationsfrequenz von Wasser liegt bei etwa 20 Gigahertz bei Raumtemperatur. In diesem Bereich ist der Energieverlust maximal. Die effektive Leitfähigkeit setzt sich aus der ionischen Gleichstromleitfähigkeit und dem frequenzabhängigen dielektrischen Verlust zusammen, wobei letzterer bei hohen Frequenzen dominiert.

Electrical Conductivity of Water vs Frequency Line chart showing that the electrical conductivity of water increases substantially with increasing frequency, rising by several orders of magnitude from low frequencies to GHz and THz ranges. Conductivity (S/m, log) 10² 10° 10⁻² 10⁻⁴ DC MHz GHz THz IR Frequency (log scale) Orders of magnitude increase Water Conductivity vs Frequency
Frequenzabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von Wasser.

Alltagsrelevanz

Dieses Phänomen ist der Grund, warum Mikrowellenöfen funktionieren. Mikrowellen arbeiten bei 2,45 Gigahertz — einer Frequenz, bei der Wasser Energie effizient absorbiert, weil die Moleküle dem Feld gerade nicht mehr vollständig folgen können. Die absorbierte elektromagnetische Energie wird in Wärme umgewandelt und erhitzt das Essen. Feuchte Lebensmittel erwärmen sich schnell, trockene dagegen kaum. Auch in der Medizintechnik (Diathermie), der Radarabsorption durch Regen und der Satellitenkommunikation spielt die frequenzabhängige Leitfähigkeit von Wasser eine entscheidende Rolle.